納米材料的介紹與應用

納米材料簡介及其相關(guān)應用

一.納米材料定義及簡介

由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。

二.納米材料分類

1.按化學組成可分為：

納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。

2.按材料物性可分為：

納米半導體、納米磁性材料、納米線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。

3.按應用可分為：

納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。

三.納米材料五大效應

1.體積效應

3.量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時，費米能級接近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象稱為量子尺寸效應。半導體納米粒子的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級，表現(xiàn)在吸收光譜上就是從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收帶過渡到具有結(jié)構(gòu)的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。

4.量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

5.介電限域

四.潛力巨大的三種新型納米材料

1. 石墨烯

石墨烯（rphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學氣相沉積法（CVD）。

發(fā)展趨勢：

010年諾貝爾物理學獎造就近年技術(shù)和資本市場石墨烯炙手可熱，未來5年將在光電顯示、半導體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、軍工、復合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)⒈l(fā)式增長。

主要研究機構(gòu)（公司）：

Graphene Technologies，Angstron Materials，Graphene Square，常州第六元素，寧波墨西等。

2. 碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。

發(fā)展趨勢：

功器件的電極、催化劑載體、傳感器等。

主要研究機構(gòu)（公司）：

Unidym, Inc.，Toray Industries,Inc.，Bayer Materia ls Science AG，Mitsubishi Rayon Co., Ltd.深圳市貝特瑞，蘇州第一元素等

3. 富勒烯

富勒烯（英語：llerene）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán)，偶爾還有七元環(huán)。

1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利在萊斯大學制備出了第一種富勒烯，即"C60分子"或"[60]富勒烯"，因為這個分子與建筑學家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，為了表達對他的敬意，將其命名為"巴克明斯特·富勒烯"（巴克球）。

發(fā)展趨勢：

未來生命科學、醫(yī)學、天體物理等領(lǐng)域有重要前景，有望用在光轉(zhuǎn)換器、信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲等光電子器件上。

主要研究機構(gòu)（公司）：

Michigan State University，廈門福納新材等。

五.納米材料應用舉例

1.納米防水涂層

納米防水涂層主要運用了蓮花效應：蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由于蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角會大于150度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。

納米陶瓷的特性主要在于力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復合材料的力學性能，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關(guān)研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。

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